三自由度机械手设计

1、虚拟三自由度气动教学机械手的实验研究目录一、绪论 4 1.1机械手概述和发展前景及方向 4 1.1.1概述： 4 1.1.2发展前景及方向： 5 1.2气动技术概述及其发展 6 1.2.1概述 6 1.2.2发展现状和发展趋势 7 1.3气动机械手的应用及发展 8 二、机械手的技术指标和结构组成 9 2.1 本机械手的技术指标 9 机械手设计的主要技术指标 10 主要参数 10 2.2 机械手的总体结构及各部件 10 2 .2 .1 机械手底座平台 11 2.2.2立柱 12 2.2.3 横移气缸 13 2.2.4 垂直升降气缸 14 2.2.5 夹紧气缸 14 2.2.6 机械手手爪 16

2、2.2.7步进电机 16 2.3机械手的驱动 17 2.4机械手的控制 17 机械手元件及价格 18 三、三自由度机械手的Solidworks造型 20 3.1 手指造型 21 3.1.1手指的结构分析 21 3.1.2 创建手指 22 草图绘制 22 拉伸基体特征 22 3.2手指罩板造型 24 3.2.1 手指罩板造型结构分析 24 3.2.2 手指罩板造型 26 草图绘制 26 拉伸基体特征 26 拉伸切除 27 3.3装配体制作 29 四、电路部分 32 4.1主电路 32 4.1.1主电路图： 32 4.1.2主控电路PCB图： 33 4.1.3主控制系统的功能介绍及使用方法： 33

3、 4.2手持盒 35 4.2.1手持盒电路图： 35 4.2.2手持盒PCB图： 35 4.2.3三自由度气动机械手手持盒介绍 36 4.2.4手持盒主要功能 36 4.2.5手持盒的硬件构成 36 手持盒硬件功能介绍 37 手持盒的使用方法： 42 4.3步进电机 43 4.3.1步进电机驱动器电路图： 43 4.3.2步进电机驱动器PCB图： 43 4.3.3步进电机控制： 44 五、气动部分 45 5.1电磁阀 45 5.1.1电磁阀工作原理： 45 5.1.2阀的功能 47 5.1.3常见故障处理 47 5.2气缸 48 5.2.1气动执行元件和控制元件 48 5.2.2气缸的典型结构

4、和工作原理 48 5.2.3机械手所用气缸型号及特点 50 5.2.4所选气缸的性能及特点： 52 5.2.5电磁阀与气缸间的配合 52 5.2.6本机械手采用气动技术方面的考虑 55 六、基于VB 的气动机械手动画仿真实验及编程 57 6.1基于VB 的气动机械手动画仿真实验 57 6.2编程部分 60 6.2.1上位机VB程序 60 6.2.2下位机C语言程序 70 参考文献 84 小结 85 绪论机械103班 冯春鹏（学号：2010071199）1.1机械手概述和发展前景及方向1.1.1概述：机械手是一种模拟人手操作的自动机械。它可按固定程序抓取、搬运物件或操持工具完成某些特定操作。应用

5、机械手可以代替人从事单调、重复或繁重的体力劳动，实现生产的机械化和自动化，代替人在有害环境下的手工操作，改善劳动条件，保证人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。20世纪40年代后期，美国在原子能实验中，首先采用机械手搬运放射性材料，人在安全间操纵机械手进行各种操作和实验。50年代以后，机械手逐步推广到工业生产部门，用于在高温、污染严重的地方取放工件和装卸材料，也作为机床的辅助装置在自动机床、自动生产线和加工中心中应用，完成上下料或从刀库中取放刀具并按固定程序更换刀具等操作。机械手主要由手部和运动机构组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸

6、、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有 6个自由度 。自由度是机械手设计的关键参数 。自由 度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有23个自由度。机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。机械手通常用作机床或其他

7、机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。1.1.2发展前景及方向：重复高精度精度是指机器人、机械手到达指定点的精确程度, 它与驱动器的分辨率以及反馈装置有关。重复精度是指如果动作重复多次, 机械手到达同样位置的精确程度。重复精度比精度更重要, 如果一个机器人定位不够精确, 通常会显示一个固定的误差, 这个误差是可以预测的, 因此可以通过编程予以校正。重复精度限定的是一个随机误差的范围, 它通过一定次数地重复运行机器人来测定。随着微电子技术和现

8、代控制技术的发展,机械手的重复精度将越来越高, 它的应用领域也将更广阔, 如核工业和军事工业等。模块化有的公司把带有系列导向驱动装置的机械手称为简单的传输技术, 而把模块化拼装的机械手称为现代传输技术。模块化拼装的机械手比组合导向驱动装置更具灵活的安装体系。它集成电接口和带电缆及油管的导向系统装置, 使机械手运动自如。模块化机械手使同一机械手可能由于应用不同的模块而具有不同的功能, 扩大了机械手的应用范围, 是机械手的一个重要的发展方向。无给油化为了适应食品、医药、生物工程、电子、纺织、精密仪器等行业的无污染要求，不加润滑脂的不供油润滑元件已经问世。随着材料技术的进步，新型材料（如烧结金属石墨

9、材料）的出现，构造特殊、用自润滑材料制造的无润滑元件，不仅节省润滑油、不污染环境，而且系统简单、摩擦性能稳定、成本低、寿命长。机电一体化由“可编程序控制器- 传感器- 液压元件”组成的典型的控制系统仍然是自动化技术的重要方面;发展与电子技术相结合的自适应控制液压元件, 使液压技术从“开关控制”进入到高精度的“反馈控制”; 省配线的复合集成系统, 不仅减少配线、配管和元件, 而且拆装简单, 大大提高了系统的可靠性。而今, 电磁阀的线圈功率越来越小, 而PLC的输出功率在增大, 由PLC直接控制线圈变得越来越可能。随着科学与技术的发展, 机械手的应用领域也不断扩大.目前, 机械手不仅应用于传统制造

10、业如采矿,冶金,石油,化学,船舶等领域,同时也已开始扩大到核能,航空,航天,医药,生化等高科技领域以及家庭清洁,医疗康复等服务业领域中.如,水下机器人,抛光机器人,打毛刺机器人,擦玻璃机器人,高压线作业机器人,服装裁剪机器人,制衣机器人,管道机器人等特种机器人以及扫雷机器人,作战机器人,侦察机器人,哨兵机器人,排雷机器人,布雷机器人等军用机器人都是机械手应用的典型。机械手广泛应用于各行各业.而且,随着人类生活水平的提高及文化生活的日益丰富多彩,未来各种专业服务机器人和家庭用消费机器人将不断贴近人类生活,其市场将繁荣兴旺。1.2气动技术概述及其发展1.2.1概述气动技术，全称气压传动与控制技术，

11、是生产过程自动化和机械化的最有效手段之一，具有高速高效、清洁安全、低成本、易维护等优点，被广泛应用于轻工机械领域中，在食品包装及生产过程中也正在发挥越来越重要的作用。气动技术因具有节能、无污染、高效、低成本、安全可靠、结构简单，以及防火、防爆、抗电磁干扰、抗辐射等优点，广泛应用于汽车制造、电子、工作机械(纺织机械、印刷、包装设备及机床等)、食品等工业产业中。随着新材料、新技术、新工艺的开发和应用，气动技术已经突破传统的设计、制造理念，正在IC/LCD、微电子、生物制药、医疗机械等高技术领域扮演着重要角色。优点：气动技术是以空气和惰性气体作为工作介质，空气的供给量充足而且无需成本。更重要的是，空

12、气和惰性气体对周围环境不造成污染，是清洁介质。气动技术可以做到远距离供气，减少本地机械设备，节省厂房空间。缺点：气体的压缩性使得气动元件的动作速度，容易受到负载变化的影响。气动设备的输出力能满足大部分的工业操作需要，但是和液动设备相比，气动设备的输出力还是要小一些。另外，气缸在低速运动时，受摩擦力影响较大，稳定性稍差。1.2.2发展现状和发展趋势我国气动行业通过产品结构调整，改善经营管理，自20世纪90年代后期开始，一直保持着良好的经济运行态势，生产稳步、持续增长。由于它具有节能、无污染、高效、低成本、安全可靠、结构简单等优点，广泛应用于各种机械和生产线上。 气动技术应用面的扩大是气动工业发展

13、的标志。气动元件的应用主要为两个方面：维修和配套。过去国产气动元件的销售要用于维修，近几年，直接为主要配套的销售份额逐年增加。国产气动元件的应用，从价值数千万元的冶金设备到只有12百元的椅子。铁道扳岔、机车轮轨润滑、列车的煞车、街道清扫、特种车间内的起吊设备、军事指挥车等都用上了专门开发的国产气动元件。这说明气动技术已“渗透”到各行各业，并且正在日益扩大。气动行业的发展也是趋向于保护环境、提高产品的性能、降低成本，同时由于性能的提高和成本的降低又助于节省能源从而利于环境保护，其关键在于提高气动行业的自动化水平，使其产品更加优越，所以气动行业的发展方向大致为： 1 .机电气一体化一体化一体化一体

14、化 2.高压、小型化 3.高效、低成本 4.无油化 5.高寿命、高可靠性 6.集成化、复合型、多功能 7.高速化 随着气动产品越来越多地应用于生物工程、医药、原子能、微电子、机器人等各行业，相应地提出了许多新的要求，因此大力发展新材料、铸造技术、表面热处理、密封技术、计算机技术、传感技术等许多基础技术越来越受到人们的重视。1.3气动机械手的应用及发展由于气压传动系统使用安全、可靠，可以在高温、震动、易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射等恶劣环境下工作”。而气动机械手作为机械手的一种，它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境、容易实现无级调速、易实现过载保护、易实现复杂的动作等优

15、点。所以，气动机械手被广泛应用于汽车制造业、半导体及家电行业、化肥和化工，食品和药品的包装、精密仪器和军事工业等。现代汽车制造工厂的生产线，尤其是主要工艺的焊接生产线，大多采用了气动机械手。车身在每个工序的移动；车身外壳被真空吸盘吸起和放下，在指定工位的夹紧和定位；点焊机焊头的快速接近、减速软着陆后的变压控制点焊，都采用了各种特殊功能的气动机械手。高频率的点焊、力控的准确性及完成整个工序过程的高度自动化，堪称是最有代表性的气动机械手应用之一。在彩电、冰箱等家用电器产品的装配生产线上，在半导体芯片、印刷电路等各种电子产品的装配流水线上，不仅可以看到各种大小不一、形状不同的气缸、气爪，还可以看到许

16、多灵巧的真空吸盘将一般气爪很难抓起的显像管、纸箱等物品轻轻地吸住，运送到指定目标位置。对加速度限制十分严格的芯片搬运系统，采用了平稳加速的SIN气缸。气动机械手用于对食品行业的粉状、粒状、块状物料的自动计量包装；用于烟草工业的自动卷烟和自动包装等许多工序。如酒、油漆灌装气动机械手；自动加盖、安装和拧紧气动机械手，牛奶盒装箱气动机械手等。此外，气动系统、气动机械手被广泛应用于制药与医疗器械上。如：气动自动调节病床，Robodoc机器人，da Vinci外科手术机器人等。随着微电子技术的迅速发展和机械加工工艺水平的提高及现代控制理论的应用，为研究高性能的气动机械手奠定了坚实的物质技术基础。由于气动

17、机械手有结构简单、易实现无级调速、易实现过载保护、易实现复杂的动作等诸多独特的优点，可以预见，在不久的将来，气动机械手将越来越广泛地进人工业、军事、航空、医疗、生活等领域。由于气动技术和电子技术的结合，以及周边技术的成熟，气动机械手在工业自动化领域里的实用性已经充分体现出来。特别是目前国内外一些学者正尝试在气动机械手中引入现代控制理论和智能控制方法，并取得了一定的研究成果，这为气动机械手大规模进入工业自动化领域开辟了十分广阔的前景 。机械手的技术指标和结构组成机械101班 徐向阳（学号：2010071096）机械101班 胡奇臻（学号：2010071099）2.1 本机械手的技术指标气动机械手

18、的基本要求是能快速、准确的拾、放和搬运物体，这就要求它们具有精度高、反应快、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度以及在任意位置都、能自动定位等特性。设计气动机械手的原则是:充分考虑作业对象的作业技术要求，拟定较为合理的作业工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件;明确工件的结构形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求;尽量选用定型的标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性 。机械手是典型的机电一体化产品，合理分配机械、电子、硬件、软件各部分所承担的任务和功能，对提高系统的整体性能、结构简化、降低成本起着举足

19、轻重的作用。因此对本机械手采用系统的观点进行整体功能分析，实现结构优化是实现经济性，灵活性和高可靠性系统设计的重要环节和关键步骤。机械手设计的主要技术指标1.设计的机械手为三自由度；2.机械手的水平旋转由步进电机驱动实现，可实现的转角为±180°；3.该机械手的水平移动自由度由TN25×200气缸实现；垂直升降自由度由MAL20×100气缸实现；其手爪的开合由SDA25×10气缸实现：1.该机械手的主要搬运物体为近似圆柱状，物体为垂直放置，重量约为1kg，最大直径为40mm；2.系统的控制器件可选用单片机控制。主要参数（1）主参数机械手的最大抓

20、取重量是其规格的主参数，约为1kg；（2）基本参数该机械手的最大工作半径约为200mm，手臂回转行程为360°，手臂升降行程为100mm。（3）定位精度也是基本参数之一，该机械手的定位精度为±0.5mm。2.2 机械手的总体结构及各部件 本气动机械手具有三个自由度，即水平方向移动自由度，垂直方向升降自由度，回转自由度，本机械手的整体结构方案如图2.1所示。图2.1 带水平旋转的三自由度气动机械手总体结构示意图1.机械手底座平台 2.立柱 3.横移气缸 4.垂直升降气缸 5.夹紧气缸 6.手爪下面分析一下本机械手的工作过程：机械手的手爪6通过夹紧气缸5从平台1抓取物体，然后通

21、过垂直升降气缸4作用上升到所需高度，并由横移气缸3水平移动到所需位置，然后由立柱内部的回转机构旋转所需角度，垂直气缸动作，然后夹紧气缸放松，物体被放置。然后气动机械手复位。2 .2 .1 机械手底座平台本机械手的底座是用来固定立柱，安装气动附属组件、步进电机控制系统等。根据工艺要求，底座采用硬铝铸件，其外形如2.2所示。图2.2 底座外形图2.2.2立柱立柱是本机械手的基础结构，它不仅承担整个机械手的重量和工作时所产生的所有载荷，而且内部还安装了步进电机、推力球轴承等重要部件，实物图如图2.3。图2.3 立柱实物图2.2.3 横移气缸本系统机械手水平横移的行程比较大，为200mm。如果采用双作

22、用单活塞气缸，不仅增大了活塞杆所受的弯矩和转动惯量，而且还增加了所选横移气缸的体积，给加工制造带来了困难。为了解决以上困难，本系统选择了收缩式双活塞杆气缸。既能满足行程要求，所选的气缸体积又小，实物图如图2.4所示。图2.4 横移气缸实物图2.2.4 垂直升降气缸气动机械手中实现手臂往复运动用的最多的是双作用单活塞杆气缸。活塞在气压下作双向运动。结构上可以是气缸体固定、活塞杆运动；也可以是活塞杆固定，而缸体运动。本系统采用缸体固定，活塞运动的结构，实物图如图2.5所示。图2.5 垂直升降气缸实物图2.2.5 夹紧气缸 在自动化生产线中，各种形式的机械手应用越来越广泛。现代的机械手采用各种电气、

23、机械、液压、气动等驱动机构，并用电子系统进行控制，以实现模仿人的手臂和手指动作。而其手爪的结构也是各式各样的，但以气动手爪应用较为普遍 。夹持式手爪的驱动装置较多采用的是作往复直线运动的气缸。在结构上，单杆活塞缸应用最多。所以，本系统夹紧气缸采用双向作用的单杆活塞缸（图2.6），双向作用单杆活塞缸活塞两侧的有效面积不等，在气压相等时，活塞上所受推力拉力，如下图所示，实物图如图2.7所示。图2.6 气压双作用单杆活塞缸图2.7 夹紧气缸实物图2.2.6 机械手手爪 机械手的手爪是用来直接抓取物件的机构，是机械手的重要组成部件之一。由手指、传力(或增力)机构和驱动装置组成。根据被抓取物件的材质、形

24、状、尺寸、重量以及其它一些特性(如易碎性、导磁性、表面光洁度等)的不同，手部的种类也不一样。机械式手爪是最基本的一种，应用广泛，种类繁多。如按手指运动的方式和模仿人手的动作，可分为回转型、直进型；按夹持方式可分为内撑式、外撑式和自锁式；按手指数目可分为二指式、三指式、四指式；按动力来源可分为弹簧式、气动式、液压式等。机械式手爪由驱动元件、手爪夹持部件、传动机构、手指及各种垫片、附件等组成。夹持式是较常见的一种手部形式，其中常用的有两指式、多指式和双手双指式:按手指夹持工件的部位又可分为内卡式和外夹式两种;按模仿人手手指的动作，手指可分为一支点回转型，二支点回转型和移动型，其中以二支点回转型为基

25、本型式。当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时，就变成了一支点回转型手指;同理，当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时，就成为移动型。回转型手指开闭角较小，具有动作灵活、结构简单、制造容易、适应性强、精度高等特点。本系统采用的就是回转型齿轮齿条传动的内卡式手爪，实物图如图2.8所示。2.2.7步进电机 步进电机是一种可以直接将数字脉冲信号转换成机械位移的机电执行元件，具有控制简单、响应速度快、工作可靠、无累积误差等优点。它能够直接接受数字信号，无需中间转换，直接输出的位移量与输入数字脉冲量相对应，能实现直接的数字控制。步进电机以开环方式工作，可省去伺服电机驱动装置中位置检测与反

26、馈部分以及A/D、D/A转换，从而简化了系统机构，使控制成本大大降低。本系统选择混合型步进电机。图2.8 手爪实物图2.3机械手的驱动由于气压传动系统的动作迅速，反应灵敏，阻力损失和泄漏较小，成本低廉，加之抓取载荷较轻，气压驱动所采用的元件为气压缸、气马达等。一般采用46个大气压，个别达到810个大气压。它的优点是气源方便，维护简单，成本低。因此，本机械手采用气压传动方式。图2.9为控制气体的电磁阀。2.4机械手的控制考虑到机械手的开放性和通用性，同时可以使用点位控制，所以我们利用单片机对机械手进行控制，当机械手的动作流程改变时，我们只需改变单片机内部的程序，非常便捷。而且它还可以提供与PLC

27、、计算机等多种接口，更能实现多机械手协调作业。图2.9 电磁阀机械手元件及价格：物品数量单位价格步进电机驱动器M542-051个288元/个二位五通电磁换向阀4V-210-083个22元/个气缸TN25*2001个120元/个气缸MAL20*100-S1个60元/个气缸SDA25*101个39元/个开关电源1个40元/个底座1个60元/个立柱1个8元/个步进电机23LM-C532-141个50元/个89C52单片机1片5元/片MAX2321块1.42元/块ULN2003A放大器1个0.35元/个PC817光耦7个0.5元/个A6N137高速光耦1个2元/个电源开关MTS2022个1.2元/个单

28、片机晶振1个0.25元/个贴片电容8个2元/25个106C电容1个0.4元/个10uf电容1个1.5元/50个贴片电阻17个2元/100个二极管M73个2.5元/50个发光二极管1个2元/100个A512J排阻1个0.1元/个九针串口头1套10元/套USB头1个0.3元/个气管6根1.5元/米线扎若干M8×25螺丝、尼龙垫圈及球型螺母4套约1元/套M3×35螺丝、螺母及尼龙支柱4套约1元/套M3×35螺丝、螺母及尼龙垫圈4套约1元/套M5×16螺丝与螺母4套约1元/套三自由度机械手的Solidworks造型机械101班 时俊东（学号：2010071119

29、）机械101班 孙连伟（学号：2010141046）首先我要对Solidworks进行介绍一下，它是一种先进的，智能化的零变量式CAD设计软件，在业界被称为“3D机械设计方案的领先者”，易学易用，界面友好，功能强大，在机械制图和结构设计领域，掌握和使用Solidworks已经成为最基本的技能之一。与传统的2D机械制图相比，零变量式CAD设计软件具有许多优越性，是当代机械制图设计软件的主流和发展方向。零变量式CAD设计软件，是参数式和变量式的统称。在绘制完草图后，可以加入尺寸等数值限制条件和其他几何限制条件，让草图进入完全定义状态，这就是参数式模式，由于软件自动加入了相关属性，如果修改了标注尺寸

30、，几何图形的尺寸就会同步更新，也就是暂时不充分的限制条件，让草图处于欠定义状态，这就是变量式操作模式。Solidworks模型是由零件，装配体和工程图等文件组成，没有生成零件之前的图纸叫做草图。由2D,3D草图直接生成3D模型和工程图时，如果修改了草图的标注尺寸，其3D模型和工程图会同步更新；相反，如果修改了工程图的标注尺寸，其3D模型和草图也会同步更新。软件使用起来十分方便，大大减少了工程人员的工作量，提高了工作效率。通常，从打开一个零件文件或建立一个新零件文件开始，绘制草图，生成基本特征，然后在模型上添加更多的特征，生成零件。也可以从其他软件导入曲面或几何实体开始，编辑特征，生成零件，装配

31、体和工程图。这是常用的设计方法，也就是自上而下的设计方法。草图绘制从零件文件开始，对于一个新的产品设计，要首先建立零件文件。由于零件，装配体和工程图的相关性，所以当其中一个视图变化时，其他两个视图也会自动改变。Solidworks2010允许自定义功能，选择菜单栏中的“工具”“选择”命令，可以显示，定义“系统选项”和“文件属性”选项卡。Solidworks2010可以自动保存工作，自动恢复功能可以自动保存零件，装配体或工程图文件的信息，在系统死机时不会丢失数据，如果设定此选项，则选择“工具”“选项”菜单命令，在“系统选项”选项卡上，单击“备份”选项，选择“每n次更改后，自动恢复信息”复选框，然

32、后设定信息自动保存前应发生的变更次数。Solidworks2010具有很强的文件交换功能，可以输入，输出数十种文件格式，可以与AutoCAD，Pro/ENGINEER，Solidedge，CAM等软件很方便的进行文件交换。Solidworks2010在草图绘制模式及工程图中提供显示网格线和捕捉网格线功能，可将网格线与模型边线对齐，还可以捕捉到角度。网格线和捕捉功能在Solidworks2010中不太使用，因此Solidworks是参变量软件，尺寸和几何关系提供了所需的精度。3.1 手指造型3.1.1手指的结构分析从图3.1可以看出手指是由拉伸凸台/基体和切除步骤完成，其端面有就短直线，一个整体

33、圆，和一部分在齿轮组成的草图，并对其拉伸基体，然后再创建根除草图，利用拉伸切除，切除实体，可依据以下的顺序进行建模。图3.1 手指3.1.2 创建手指草图绘制 1.启动Solidworks2010后，单击工具栏上的“新建”命令按钮，或选择“文件”“新建”菜单命令，打开“新建Solidworks文件”对话框如图3.2所示。图3.22.单击“零件”图标，单击“确定”按钮，这时就会创建一个新的零件文件。首先要绘制草图，然后拉伸生成零件的基本特征。3.单击草图绘制工具栏的“草图绘制”命令按钮，此时在前视基准图上打开一张草图。依据结构分析画出草图，如图3.3所示。拉伸基体特征通过拉伸所绘制的草图来生成基

34、体的操作步骤如下：1.单击“特征”工具栏上的“拉伸凸台基体”命令按钮，执行拉伸操作。2.在“方向1”组框中执行如下操作。 将终止条件设置为“给定深度”，给定深度为10mm。可使用方向键或直接输入数值来增加数值，图形区域中显示拉伸的预览。3.单击“确定”按钮，生成拉伸。如图3.4图3.3图3.44.单击“特征”工具栏上的“切除凸台基体”命令按钮，切除实体。执行以下操作：绘制草图选择基准面绘制R=6的圆单击“特征”工具栏，切除实体。将终止条件设置为“给定深度”，设置深度为10mm，可以使用方向键或直接输入数值来增加数值。如图3.5所示，单击“确定”按钮，生成切除。如图3.6所示，并将该文件保存为“

35、手指”零件图。图3.53.2手指罩板造型3.2.1 手指罩板造型结构分析 手指罩板是一个把两个手指包裹在一起的零件，零件的定位与手指造型要统一，该零件是由拉伸凸台基体和切除拉伸步骤完成。先画拉伸草图，再拉伸完成基体造型，利用切除拉伸命令完成几个孔洞的切除除料。零件如图3.7所示可依据以下顺序进行建模造型。 图3.6图3.73.2.2 手指罩板造型 草图绘制 利用绘制草图命令绘制基体草图，如图3.8所示图3.8拉伸基体特征通过拉伸所绘制的草图来生成基体的操作步骤如下：1.单击“特征”工具栏上的“拉伸凸台基体”命令按钮，执行拉伸操作。2.在“方向1”组框中执行如下操作。将终止条件设置为“给定深度”

36、，给定深度为25mm。可使用方向键或直接输入数值来增加数值，图形区域中显示拉伸的预览。同理，在“方向2”组框中执行以上操作。3.单击“确定”按钮，生成拉伸。如图3.9 图3.9拉伸切除 绘制草图选择基准面绘制R=5的圆单击“特征”工具栏，切除实体。将终止条件设置为“给定深度”，设置深度为10mm，可以使用方向键或直接输入数值来增加数值。单击“确定”按钮，生成切除。如图3.10所示图3.10依次执行上述“拉伸切除”完成手指罩板的造型。如图3.11所示。图3.11其他零件的造型也是按照上述造型步骤完成。具体零件造型可参考文件“三自由度机械手零件”。3.3装配体制作1.启动Solidworks201

37、0后，单击工具栏上的“新建”命令按钮，或选择“文件”“新建”菜单命令，打开“新建Solidworks文件”对话框如图3.12所示。图3.122.单击“工程图”“确定”，进入装配体界面。3.通过“工具栏”中的插入零部件命令，一个个加入零件，进行装配。成型如图3.13所示图3.13电路部分机械101班 刘鹏翔（学号：2010071100）机械101班 孙连伟（学号：2010141046）机械101班 时俊东（学号：2010071119）4.1主电路4.1.1主电路图（图4.1）：图4.1 主电路图4.1.2主控电路PCB图（图4.2）：图4.2 主控电路PCB图4.1.3主控制系统的功能介绍及使用

38、方法：主控制板如图4.3所示： 图4.3主控制板单片机电源口的红色发光二极管为电源指示灯。左侧“总电源开关 S1”为5V电源总开关，右侧“手柄电源开关 S2”是手柄电源开关。“P3 电源输入”为电源接口，“P1 电磁阀接口”，为电磁阀接口，左侧“P2 步进电机驱动器接口”为步进电机控制接口，右侧串口用于单片机程序下载以及单片机与计算机通讯，右下侧USB口用于手柄程序下载和单片机之间的通讯。J2J6这5个跳线帽设置控制方式，每个跳线帽有两种状态：“PLC”和“C51”，当处于“PLC”状态时，步进电机和电磁阀由PLC控制；当处于“C51”状态时，步进电机和电磁阀由C51单片机控制。JNET112

39、这12组跳线帽用于设置通信模式，分别包括2个跳线帽，当需要把某一组短路帽短路时，必须把这一组的2个短路帽都短路，两者必须处于统一的状态。同时因为通信状态比较多，每次只短路需要的短路帽，其他的必须断开（JNET11和JNET12可以短着），否则会相互影响。通信状态设置表格（表4.1）。主控制板上也有同样的表格。表4.1 通信状态设置表格通信主体需要短路的短路帽备注主板与PCJNET3 JNET4 JNET11 也可以主板下载程序主板与手柄JNET1 JNET2 手柄与PCJNET5 JNET6 JNET11 也可以手柄下载程序手柄与PLCJNET7 JNET8 PLC与PCJNET9 JNET1

40、0 JNET12 也可以PLC下载程序4.2手持盒4.2.1手持盒电路图（图4.4）：图4.4 手持盒电路图4.2.2手持盒PCB图（图4.5）：图4.5 手持盒PCB图4.2.3三自由度气动机械手手持盒介绍应用 STC89S52 单片机设计了三自由度机械手手持盒。该手持盒对机械手的运动控制分为点动和连续运动两种方式，具有手动操作、自动演示、学习/回放等功能，应用液晶模块显示信息，应用串行口与机械手控制器或计算机进行通讯，实现了对由步进电机和气缸构成的三自由度机械手控制。4.2.4手持盒主要功能本文的机械手手持盒主要完成三自由度机械手的控制。该机械手为一通用型上下料及物料搬运机械手，其主要运动

41、构成为：由步进电机及其减速器实现绕 Z 轴±180°的旋转运动； TN由型气缸实现的水平运动；由 MAL 型气缸实现的垂直运动及由 SDA 型气缸实现的手爪的开合运动。为了实现对机械手的控制，机械手手持盒设置了如下按键：水平出，水平回控制水平气缸的运动；垂直伸，垂直缩控制垂直气缸的运动；手爪开，手爪合控制手爪的开合；旋转设置，0.9°，-0.9°，水平旋转对步进电机旋转的控制；自动演示，手动操作，学习/回放机械手示教学习及回放功能的控制；开/关手持器电源的控制。手持盒外观如图4.6所示。 4.2.5手持盒的硬件构成手持盒的电路原理如图 4.2.5 所示。

42、手持盒的控制核心为AT89C52 单片机，该单片机为 MCS-51 内核，硬件资源丰富，手持盒应用了液晶模块作为信息显示屏，可显示字母、数字符号、中文字型及图形，具有绘图及文字画面混合显示功能，所有的功能（显示RAM，字型产生器等）都包含在一个芯片里面，与外部处理器连接方便。本文选用的 C 系列液晶模块为OCMJ4×8C 型，与AT89C52的接口采用了并口连接方式；手持盒的按键采用了 4×4 查询式结构的薄膜按键，这样设计较少占用单片机的管脚资源，应用RS232 接口与外界器件相连。图4.6 手持盒手持盒硬件功能介绍AT89C52（见图4.7）: 89c52单片机个引脚的

43、原理与功能VCC:供电电压GND：接地P0口：口为一个位漏极开路双向口，没脚可吸收门电路，当口的电路第一次写时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部数据存储器，它被定义数据/地址的第八位在flash编程时，P0口作为原码输入口，当flash进行校验时，P0口输出原码，此时P0口外部必须拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故，在flash在编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内不上拉的8双向I/O口，P2

44、缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上啦的缘故。P2口当用于外部程序存储或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在flash编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接受输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，

45、P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口作为AT89c52的一些特殊功能口，管脚 备选功能P3.0 RXD(串行输入口)P3.1 TXD(串行输出口)P3.2 /INT0(外部中断0)P3.3 /INT1(外部中断1)P3.4 T0(计时器0外部输入)P3.5 T1(计时器1外部输入)P3.6 /WR(外部数据存储器写通道)P3.7 /RD(外部数据存储器读通道)REST:复位输入。当振荡器复位器件时，要保持REST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG:当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平哟公寓锁存地址的低位字节。在flash编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，

46、ALE断以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为震荡频率的1/6.因此他可以用作外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：没到那个用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如果想禁制ALE的输出可在SFR8EH地址上置0.此时，ALE只有执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用，另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效，但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP；当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FF

47、FFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/Ea保持高电平时，此间内部程序存储器。在flash编程区间，此引脚也用于施加12V变成电源（VPP）。XTAL1:反向振荡放大器的输入及内部始终工作电路输入XTAL2:来自反向振荡器图4.7 AT89C52MAX232芯片（图4.8）简介：MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片,使用+5v单电源供电。 图4.8 MAX232引脚介绍：第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需

48、要。 第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。 其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。 8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。 TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。 第三部分是供电。15脚GND、16脚VCC（+5v）。 RS232 (DB9)引脚定义

49、：1 ：DCD :载波检测。主要用于Modem通知计算机其处于在线状态，即Modem检测到拨号音，处于在线状态。 2 ：RXD:此引脚用于接收外部设备送来的数据；在你使用Modem时，你会发现RXD指示灯在闪烁，说明RXD引脚上有数据进入。 3 ：TXD:此引脚将计算机的数据发送给外部设备；在你使用Modem时，你会发现TXD指示灯在闪烁，说明计算机正在通过TXD引脚发送数据。 4 ：DTR:数据终端就绪；当此引脚高电平时，通知Modem可以进行数据传输，计算机已经准备好。 5 ：GND:信号地；此位不做过多解释。 6 ：DSR:数据设备就绪；此引脚高电平时，通知计算机Modem已经准备好，可

50、以进行数据通讯了。 7 ：RTS:请求发送；此脚由计算机来控制，用以通知Modem马上传送数据至计算机；否则，Modem将收到的数据暂时放入缓冲区中。 8 ：CTS: 清除发送；此脚由Modem控制，用以通知计算机将欲传的数据送至Modem。 9 ：RI : Modem通知计算机有呼叫进来，是否接听呼叫由计算机决定MAX232原理（图4.9）：MAX232芯片是专门为电脑的RS-232标准串口设计的接口电路,使用+5v单电源供电。图4.9 MAX232原理手持盒的使用方法：手持盒右下角为液晶背光“开/关”。左侧为“学习/回放”按键，按下此键可重复执行上一步的操作。下面第二排为“自动演示”和“手

51、动操作”按键，其中“自动演示”按键可将机械手功能自动演示一遍，“手动操作”则需与上面10个按键配合完成每个动作的控制。在执行手动操作时应先观察机械手当前所处状态，进而选择下步要执行的操作，例即不要在水平气缸伸出时执行“水平出”操作。在执行旋转操作时，先按“手动操作”，然后按“旋转设置”，再根据要旋转的方向和角度选择按“-1.8度”还是“+1.8度”以及按下次数（N=/1.8度），按完一定次数后按“水平旋转”键即可实现水平方向的旋转。4.3步进电机4.3.1步进电机驱动器电路图（图4.10）：图4.10 步进电机驱动器电路图4.3.2步进电机驱动器PCB图（图4.11）：图4.11 步进电机驱动

52、器PCB图4.3.3步进电机控制：图4.12是步进电机驱动器，其使用法在其铭牌上可以直观看到，可设置输出电流大小和细分步数。步进电机额定电压为24V，额定电流为1.6A。其控制开关状态如图所示。由于批次不同，所以用的驱动器品牌可能不同，因此可能与照片不符，用户可根据驱动器上所带的设置说明自行进行设置。图4.12步进电机驱动器控制线路连接图气动部分机械103班 冯春鹏（学号：2010071199）机械101班 汉栩杉（学号：2010071092）机械101班 胡奇臻（学号：2010071099）气动技术具有结构简单、价格低廉、无污染等一系列显著优点，在工业中越来越受到广泛的应用，已经成为自动化不

53、可缺少的手段，备受人们的重视。本机械手就是以单片机为控制基础，通过电磁阀控制气缸的伸缩达到机械手运动的目的。气动部分主要由电磁阀、气缸构成，依据电磁阀在通电与不通电时不同的工作状态控制气体进出的原理控制气缸伸缩，让机械手的运动直观展现。下面从电磁阀、气缸以及它们之间的配合解释一下气动部分的实现。5.1电磁阀5.1.1电磁阀工作原理：电磁阀是由电磁线圈和磁芯组成，是包含一个或几个孔的阀体。当线圈通电或断电时，磁芯的运转将导致流体通过阀体或被切断，以达到改变流体方向的目的。电磁阀的电磁部件由固定铁芯、动铁芯、线圈等部件组成；阀体部分由滑阀芯、滑阀套、弹簧底座等组成。电磁线圈被直接安装在阀体上，阀体

54、被封闭在密封管中，构成一个简洁、紧凑的组合。在气动回路中，电磁控制换向阀的作用是控制气流通道的通、断或改变压缩空气的流动方向。主要工作原理是利用电磁线圈产生的电磁力的作用，推动阀芯切换，实现气流的换向。按电磁控制部分对换向阀推动方式的不同，可以分为直动式电磁阀和先导式电磁阀。直动式电磁阀直接利用电磁力推动阀芯换向，而先导式换向阀则利用电磁先导阀输出的先导气压推动阀芯换向。电磁阀从原理上分为三大类（即：直动式、分步直动式、先导式） ；从气路或油路上来说，我们在生产中常用的电磁阀有二位三通、二位四通、二位五通等 。电磁阀二位是指电磁阀的阀芯有两个不同的工作位置（开、关）。而多少通指电磁阀的阀体上有多少个通道口；比如二位二通电磁阀是一进一出（二个通道、最普通常见）二位三通电磁阀控制液体是一进二出（两出分别是一个常开一个常闭）；气动换向电磁阀是一进一出一排气；液压一进一出一回油。我们在机械手上所用的为二位五通电磁阀（如图5.1所示）图5.1 二位五通电磁阀两位五通电磁阀具有1个进气孔(接进气气源)、1个正动作出气孔和1个反动作出气孔(分别提供给目标设备的一正一反动作的气源)、1个正动作排气孔和1个反动作排气孔(安装消声器)。 两位五通电磁阀一般为双电控(即双线圈)。两位五通双电控电磁阀动作原理：给正动作线圈通电，则正动作气路接通(正动作出气孔有气)，即使给正动作线圈断电后正动